高温射流作用下大尺寸岩样温度场与热破裂监测试验方法

本发明涉及岩石力学试验，尤其涉及一种高温射流作用下大尺寸岩样温度场与热破裂监测试验方法。

背景技术：

1、干热岩等地热资源的开发和利用已成为我国的战略科技问题。为实现对干热岩等地热资源的开发利用，需要在硬岩中钻进地热生产井开采干热岩能源。传统旋转式钻探在深部高温硬岩钻进中效率低下、成本高昂，新型热-机械联合破岩钻进技术通过高温射流加热对硬岩进行预先劣化后实现钻头在硬岩中的快速钻进。热-机械联合破岩钻进技术因其对地层岩性要求低、破岩效率高、施工工艺相对简单等优势而有望成为一种颠覆式的深部工程破岩方法。

2、然而，由于热-机械联合破岩采用的高温射流的温度峰值和变化速率、覆盖范围、升降温路径等复杂多变，致使热破裂行为具有很强的随机性和不确定性。如果对高温射流作用下的岩石热破裂行为的机制了解不清晰，高温射流反而可能会对井壁围岩的完整性和稳定性造成破坏，甚至导致井壁坍塌等灾难性后果。为此，需要在实验室中对岩石试样开展高温射流作用下的热破裂试验，以研究高温射流对热破裂行为的影响。

3、岩石试样的尺寸和温度边界条件都会对岩石的热力耦合行为产生强烈的影响，除了在实验中施加高温射流外，还应考虑试样尺寸对高温射流作用下的热破裂机制的影响。因此，在实验室进行大尺寸岩石试件在高温射流作用下的热力学行为研究是必要的。然而，目前对于高温岩石力学试验多采用传统马弗炉或者改造的加热加载设备进行，局限性很大，无法同时满足慢速、快速、非线性和高温射流等条件，且只满足小尺寸标准试件的加热要求，导致研究结果参考性低。

4、因此，在同一高温射流试验条件下，开展大尺寸试样的实验室试验变得尤为重要。此外，已有设备也无法同时实现对试件内部和表面高温射流非均匀动态温度场的实时监测。因此，需要一种新的高温岩石力学试验方法，以实现高温射流作用下大尺寸岩样热破裂监测和三维温度场演化。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种高温射流作用下大尺寸岩样温度场与热破裂监测试验方法，实现高温射流作用下大尺寸岩样热破裂监测和三维温度场演化。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：高温射流作用下大尺寸岩样温度场与热破裂监测试验方法，涉及三个岩石试样，针对第一个岩石试样进行热破裂和内部温度场演化的监测试验，实时监测高温射流作用下岩石试样内部三维非均匀动态温度场；

3、针对第二个岩石试样进行高温射流加热及冷却条件下的声发射信号监测试验，实时监测岩石内部破坏情况；

4、针对第三个岩石试样进行试样表面温度场演化规律的监测试验，监测试样表面温度场的变化情况；

5、根据高温射流加热条件下岩石试样内部温度场和试样破裂发生的时间位置，推测出岩石内部温度场与热破裂的耦合响应机制；

6、优选地，所述岩石试样为大尺寸试样，且试样结构完整、无明显裂纹。

7、优选地，所述方法针对第一个岩石试样进行热破裂和内部温度场演化的监测试验时，通过在岩石试样表面及内部设置热电偶温度传感器，实现对高温射流作用下岩石试样表面和内部三维非均匀动态温度场的实时监测。

8、优选地，所述方法针对第一个岩石试样进行热破裂和内部温度场演化的监测试验时，通过在岩石试样内部设置温度检测孔，检测孔内放置热电偶温度传感器来实现对高温射流作用下岩石试样内部三维非均匀动态温度场的实时监测。

9、优选地，所述方法针对第二个岩石试样进行高温射流加热及冷却条件下的监测试验时，通过在岩石试样表面设置声发射传感器实现对试件在高温射流加热及冷却条件下的破坏情况的实时监测。

10、优选地，所述方法针对第三个岩石试样进行试样表面温度场演化规律的监测试验时，通过测温型红外热像仪监测试样上表面温度场。

11、优选地，所述方法根据加热冷却全过程温度场与声发射监测数据，构建岩石试样内部三维温度场演化与热破裂规律，具体为：

12、步骤s1：整理第一个岩石试样内部热电偶温度传感器采集的加热冷却全过程温度监测数据，通过加热冷却过程中岩石试样内部不同位置的实时温度变化，构建试样内部三维温度场演化规律；

13、步骤s2：对第二个岩石试样的声发射数据进行分析，根据不同位置声发射传感器捕获热破裂声发射信号的时间差，反演加热冷却全过程中热破裂事件的时空定位；根据声发射信号的s波、p波能量比特征，确定声发射事件的震源强度特征和拉/剪破坏机制；构建高温射流下大尺寸试样热破裂的时空演化特征；

14、步骤s3：对第三个岩石试样的红外数据进行处理，通过图像差分滤波处理技术建立本底噪声校正模型，去除环境红外辐射背景噪声的影响，从而获得岩石试样加热面温度场的实时演化规律；

15、步骤s4：整理步骤s1、步骤s2、步骤s3得到的试样内部三维温度场演化规律、试样内部热破裂特征和试样表面温度场实时演化规律，分析得到岩石试样热破裂和内部温度场之间的关系。

16、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的高温射流作用下大尺寸岩样温度场与热破裂监测试验方法，(1)通过结合热电偶测温仪和测温型红外热像仪实现对高温射流作用下试样表面和内部三维非均匀动态温度场的实时监测；(2)通过使用声发射传感器实现对试件在高温射流加热及冷却条件下的实时破坏情况的监测；(3)通过试验监测高温射流加热条件下岩石内部温度场和试样破裂发生的时间位置情况推测出岩石内部温度场与热破裂的耦合响应机制。

技术特征：

1.一种高温射流作用下大尺寸岩样温度场与热破裂监测试验方法，涉及三个岩石试样，其特征在于：针对第一个岩石试样进行热破裂和内部温度场演化的监测试验，实时监测高温射流作用下岩石试样内部三维非均匀动态温度场；

2.根据权利要求1所述的高温射流作用下大尺寸岩样温度场与热破裂监测试验方法，其特征在于：所述岩石试样为大尺寸试样，且试样结构完整、无明显裂纹。

3.根据权利要求2所述的高温射流作用下大尺寸岩样温度场与热破裂监测试验方法，其特征在于：所述方法针对第一个岩石试样进行热破裂和内部温度场演化的监测试验时，通过在岩石试样表面及内部设置热电偶温度传感器，实现对高温射流作用下岩石试样表面和内部三维非均匀动态温度场的实时监测。

4.根据权利要求2所述的高温射流作用下大尺寸岩样温度场与热破裂监测试验方法，其特征在于：所述方法针对第一个岩石试样进行热破裂和内部温度场演化的监测试验时，通过在岩石试样内部设置温度检测孔，检测孔内放置热电偶温度传感器来实现对高温射流作用下岩石试样内部三维非均匀动态温度场的实时监测。

5.根据权利要求2所述的高温射流作用下大尺寸岩样温度场与热破裂监测试验方法，其特征在于：所述方法针对第二个岩石试样进行高温射流加热及冷却条件下的监测试验时，通过在岩石试样表面设置声发射传感器实现对试件在高温射流加热及冷却条件下的破坏情况的实时监测。

6.根据权利要求2所述的高温射流作用下大尺寸岩样温度场与热破裂监测试验方法，其特征在于：所述方法针对第三个岩石试样进行试样表面温度场演化规律的监测试验时，通过测温型红外热像仪监测试样上表面温度场。

7.根据权利要求2-6任一项所述的高温射流作用下大尺寸岩样温度场与热破裂监测试验方法，其特征在于：所述方法根据加热冷却全过程温度场与声发射监测数据，构建岩石试样内部三维温度场演化与热破裂规律，具体为：

技术总结本发明提供一种高温射流作用下大尺寸岩样温度场与热破裂监测试验方法，涉及岩石力学试验技术领域。该方法首先针对一个岩石试样进行热破裂和内部温度场演化的监测试验，实时监测高温射流作用下岩石试样内部三维非均匀动态温度场；再针对第二个岩石试样进行高温射流加热及冷却条件下的声发射信号监测试验，实时监测岩石内部破坏情况；针对第三个岩石试样进行试样表面温度场演化规律的监测试验，监测试样表面温度场的变化情况；最后根据高温射流加热条件下岩石试样内部温度场和试样破裂发生的时间位置，推测出岩石内部温度场与热破裂的耦合响应机制。该方法可以同时实现对试件内部和表面高温射流非均匀动态温度场的实时监测。技术研发人员：王飞,潘宇,刘甜甜,孟德昊,何本国,庞瑞,邹岩琳受保护的技术使用者：东北大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29